Análisis
del consumo de agua y energía en el riego por surcos
Analysis of water and energy consumption in furrows
irrigation
Oswal
Madrigal Millian1,*, Oscar Brown Manrique2, Daniubis Luis Pelier1, Yurisbel
Gallardo Ballat1, Lázaro Castellanos3
1-
Departamento de Ingeniería Hidráulica. Facultad de Ciencias Técnicas.
Universidad de Ciego de Ávila “Máximo Gómez Báez”, Cuba.
2-
Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH). Facultad de Ciencias Técnicas.
Universidad de Ciego de Ávila “Máximo Gómez Báez”, Cuba.
3-
Estudiante de la carrera Ingeniería Hidráulica. Departamento de Ingeniería
Hidráulica Mantenimiento. Facultad de Ciencias Técnicas. Universidad de Ciego
de Ávila “Máximo Gómez Báez”.
*
E-mail: oswal@unica.cu
Resumen
Se muestran los resultados de la
investigación desarrollada en un sistema de riego por surcos en la Finca Tío
Pedro del municipio de Venezuela, provincia Ciego de Ávila, Cuba. El objetivo
del trabajo fue determinar los indicadores hidráulicos y energéticos del riego
por surcos para el aprovechamiento eficiente del agua y la energía eléctrica.
Los resultados indican que el caudal promedio aportado por la bomba medido
mediante los métodos volumétricos y flotadores es de 60 L s-1. Las pérdidas
unitarias de agua en el canal principal de riego son de 0,62 L s-1 m-1.
Los indicadores energéticos del riego: consumo de energía eléctrica por unidad
de volumen (EV); consumo
de energía eléctrica por unidad de producción (EP); consumo de energía eléctrica por unidad de beneficio
neto (EB) alcanzaron
valores globales de 0,56 kW m-3; 290 kW t-1; y 90 W $-1,
correspondiendo los mejores resultados al cultivo del tomate en todos los
casos.
Palabras claves: Indicadores
de riego, sistema de gestión energética, uso eficiente del agua.
Abstract
The results of the
research developed in a furrow irrigation system at the Tío Pedro Farm in the
municipality of Venezuela, Ciego de Avila province, Cuba are shown. The
objective of the work was to determine the hydraulic and energy indicators of
irrigation by furrows to the efficient use of water and electric energy. The
results indicate that the average flow rate provided by the pump measured by volumetric
and float methods is 60 L s-1. The unit water losses in the main
irrigation channel are 0,62 L s-1 m-1. The energy indicators of irrigation: consumption of
electric energy per unit volume (EV);
consumption of electric energy per unit of production (EP); consumption of electric energy per unit of net
profit (EB) reached global
values of 0,56 kW m-3; 290 kW t-1; and 90 W $-1,
with the best results corresponding to the tomato crop in all cases.
Keyword: Irrigation
indicators, energy management system, efficient water use.
Introducción
La agricultura es una
actividad de gran importancia estratégica por constituir una base fundamental
para el desarrollo autosuficiente y la riqueza de las naciones; sin embargo,
requiere de la utilización de la energía eléctrica ampliamente utilizada en el
regadío que es el mayor consumidor de agua y energía dentro del sector agrario.
El regadío supone en algunas regiones más del 90 % de los usos totales de agua [1].
El manejo y operación adecuada de los sistemas
de riego se orientan hacia la reducción del consumo de agua y energía para la
conservación eficaz de estos recursos naturales. Para el cumplimiento de esta
meta se requiere conocer el consumo de estos recursos y utilizar toda el agua
disponible con menores costos y sin desperdicio a partir de sistemas de
medición adecuados [2].
Las mayores pérdidas de
agua asociadas al manejo inadecuado del agua se producen en el riego por
gravedad que es el método más utilizado a nivel mundial [3]. En Cuba también
ocurre este tipo de comportamiento y se debe principalmente a la carencia de
una política de modernización de los sistemas por la falta de inversiones para
su mejoramiento [4]; no obstante, esta situación puede mejorarse a partir del diseño,
manejo correcto a nivel parcelario y la tecnificación del sistema [5,6].
Por otro lado los
indicadores que relacionan el consumo de agua y energía constituyen
herramientas que se construyen para el logro de diversos propósitos como:
orientar el avance en relación a la consecución de objetivos y metas
determinadas, encontrar las principales tendencias en la dinámica de los procesos
y robustecer la evaluación integrar de las variables de interés [7,8]. Su
aplicación en un sistema de riego contribuye al mejoramiento del diseño y el
manejo, al uso racional del agua y sobre todo a la evaluación del desempeño
para su perfeccionamiento.
El objetivo del trabajo
consiste en realizar la evaluación hidro energética del riego por surcos,
mediante la determinación de indicadores que contribuyan al aprovechamiento
eficiente del agua y la energía eléctrica.
Materiales
y métodos
La investigación se desarrolló en la Finca Tío Pedro
del municipio de Venezuela, provincia Ciego de Ávila, Cuba la cual se encuentra
ubicada a los 21°45´04'' de Latitud Norte y 78°46´45'' de Longitud Oeste.
El muestreo del suelo realizado a las profundidades podológicas
comprendida entre 0-0,32m permitieron clasificar el suelo predominante en el
área como Ferralítico Rojo Típico el cual se correlaciona con el orden
Ferralsoles según la actual clasificación de los suelos de Cuba [9].
La investigación ocupó un área neta de 5,6 ha sembrada de tomate y frijol
como se muestra en la tabla 1, donde se indica la variedad y el área que ocupa
cada cultivo dentro del área de estudio, sembrada según las normas establecidas
para este tipo de suelo [10]. Las fechas de siembra
y cosecha se exponen en la tabla 2.
En el área de estudio se encuentra establecido un sistema de riego por
surcos compuesto por una bomba accionada por un motor eléctrico, una obra de
derivación mediante compuertas, un canal de mampostería, un canal principal y
la red interna de riego. El área evaluable se estableció con dimensiones de 12
m x 62,9 m para un mejor control de las variables experimentales (figura 1).
En la tabla 3 se muestra algunas de las características técnicas e
hidráulicas del sistema.
Tabla 1. Características de los
cultivos y superficie sembrada.
Cultivo
|
Variedad |
Área (ha) |
Tomate
|
Latinoamericano
99-92 |
2,6 |
Frijol
|
Colorado Velazco Largo |
3,0 |
Tabla 2. Fechas de siembra.
Cultivo |
Fecha de siembra |
Fecha de cosecha |
Tomate
|
18/nov/2016 |
10/feb/2017 |
Frijol
|
15/ene/2017 |
06/abr/2017 |
Tabla 3. Parámetros de la bomba
el pozo y el área de riego.
Parámetros |
Observación |
Tipo
de Bomba. |
Layne Memphis. |
Velocidad
de la bomba. |
1356 rpm. |
Consumo
de energía. |
0,25 kW h-1. |
Profundidad
del pozo. |
9 m. |
Nivel
estático. |
10 m. |
Nivel
dinámico. |
11 m. |
Diámetro
del pozo. |
50 mm. |
Figura 1. Esquema del área de estudio.
En la determinación del
caudal de la bomba se utilizaron dos puntos: (a) medición del caudal en la tubería
de descarga de la bomba y (b) medición del caudal en el canal de mampostería que
recibe el caudal derivado por la bomba. La medición del caudal en la tubería de
descarga se realizó por el método volumétrico [11,12] a partir de la medición
del tiempo en que se llenó la obra de derivación del caudal construida junto a
la bomba.
La medición del caudal
en el canal de mampostería próximo a la bomba (largo de 2,0 m; ancho en la base
de 0,40 m y altura promedio del tirante de agua de 0,30 m) se basó en la aplicación
de la ecuación de continuidad [13]. La velocidad del agua en el canal se obtuvo
con el método de flotadores [14], los cuales fueron confeccionados con poliestireno
expandido. Este procedimiento se realizó en diez ocasiones para encontrar el
valor promedio.
La medición del caudal en el canal de
conducción del sistema también se realizó mediante la ecuación de continuidad y
el método de los flotadores; teniéndose en cuenta las características geométricas
de la sección transversal de la zanja (para ancho máximo superficial de 0,90 m;
ancho de la base de 0,45 m; altura
máxima de 0,42 m y coeficiente de talud de 1,07) y la velocidad.
Las pérdidas de agua unitaria se determinaron
en un tramo del canal con longitud de 30 m. La ecuación utilizada fue la siguiente:
(1)
Donde Pagua
es la pérdida de agua por unidad de longitud expresada en litros por segundo
por metro (L s-1 m-1); QB es el caudal de la bomba (L s-1); Qcanal es el caudal de
circulación por el canal de conducción (L s-1); L es la longitud del canal de conducción (m).
Los rendimientos agrícolas alcanzados en el
área de estudio en condiciones de producción se estimaron en los cultivos
objetos de estudio a partir del conteo directo del número de plantas (10
plantas aleatorias por parcelas para un total de 30 plantas en el área
experimental), el peso promedio de cada producto y su relación con el área del
marco de plantación que ocupan dentro del sistema productivo. Se utilizaron las
ecuaciones siguientes deducidas a partir de los resultados del presente trabajo:
(2)
(3)
(4)
(5)
Donde R es
el rendimiento del cultivo en toneladas por hectáreas (t ha-1); PF el peso
promedio de un fruto (kg); NF
el número promedio de frutos obtenidos en una planta; Np el número de plantas promedio en un surco a partir
del conteo de las plantas en tres surcos seleccionados al azar; Asem
el área sembrada del cultivo analizado (m2); Amp el área del marco de plantación (m2); L la longitud de la parcela seleccionada
(m); B el ancho de la parcela
seleccionada (m); Eh el
espaciamiento entre hileras (0,90 m); Ep
el espaciamiento entre plantas (0,14 m).
Finalmente se proponen los indicadores
energéticos del riego por surcos para los cultivos estudiados; estos son: energía
consumida por unidad de volumen (EV),
energía consumida por unidad de producción (EP)
y energía por unidad de costo (EC).
Estos indicadores se calcularon mediante las siguientes ecuaciones:
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
Donde EV
es la energía consumida por unidad de volumen (kW m-3); EP la energía consumida por
unidad de producción (kW t-1); EC
la energía consumida por unidad de costo (kW $-1); V el volumen total de agua aplicada durante
la fase fisiológica (m3); E
la energía consumida por el riego (kW); P
la producción obtenida por la venta de la cosecha en toneladas (t); C el costo incurrido para obtener la
producción ($); Asem el
área sembrada del cultivo analizado (m2); Mp la norma parcial de riego en metros cúbicos por
hectárea (m3 ha-1) estimada según [15,16]; NR el número de riegos; Pr la profundidad del sistema
de raíces (m); ρ la densidad del
suelo (g cm-3); CC la capacidad
de campo en porcentaje en base al suelo seco (%bss); LP el límite productivo en porcentaje en base al suelo seco (%bss).
Resultados
y Discusión
Los valores de caudales
descargados por la bomba en la caja de distribución de mampostería con
dimensiones de 3,60 m de largo; 1,55 m de ancho y 0,17 m de altura de agua se
muestra en la tabla 4, donde el valor promedio del caudal aportado por la bomba es de 60,47 L s-1.
Tabla
4. Caudal de la bomba en la tubería de descarga.
Observaciones |
t ( s) |
QB (L s-1) |
1 |
15,58 |
60,80 |
2 |
16,00 |
59,29 |
3 |
15,35 |
61,80 |
4 |
15,45 |
61,40 |
5 |
16,08 |
58,99 |
Media |
15,69 |
60,47 |
Los valores de caudales
de la bomba medidos en el canal de mampostería anexo a la caja de distribución
se muestran en la tabla 5. Este canal con longitud de dos metros, ancho de 0,62
m, tirante hidráulico de 0,15 m y área hidráulica de 0,09 m2 conduce
un flujo de agua con una velocidad promedio de 0,35 m s-1, por lo
que el caudal de la bomba medido en este punto es de 59,70 L s-1.
Esta información nos permite comprobar que el caudal de la bomba puede asumirse
con un valor de 60 L s-1.
Tabla 5.
Caudal de la bomba medido en el canal de mampostería.
Observaciones |
t ( s) |
v
(m s-1) |
QB (L s-1) |
1 |
6,00 |
0,33 |
56,67 |
2 |
5,45 |
0,37 |
62,39 |
3 |
6,02 |
0,33 |
56,48 |
4 |
5,50 |
0,36 |
61,82 |
5 |
5,56 |
0,36 |
61,15 |
Media |
6,00 |
0,35 |
59,70 |
Los valores de caudales
medidos en condiciones experimentales en un canal de riego principal a una
distancia de 30 m del canal de mampostería se muestran en la tabla 6. Este
canal presenta una geometría trapecial con ancho de la superficie libre del
agua de 1,50 m; ancho de la base del canal de 0,10 m; tirante hidráulico de
0,30 m y área hidráulica de 0,24 m2. Los resultados del aforo por el
método de flotadores indican que el flujo de agua alcanza una velocidad
promedio de 0,21 m s-1 y un caudal promedio de 41,87 L s-1.
Tabla 6.
Caudal del canal de conducción del sistema.
Observaciones |
t (
s) |
v
(m s-1) |
QB (L s-1) |
1 |
9,20 |
0,22 |
42,39 |
2 |
9,47 |
0,21 |
41,18 |
3 |
9,38 |
0,21 |
41,58 |
4 |
9,23 |
0,22 |
42,25 |
5 |
9,30 |
0,22 |
41,94 |
Media |
9,32 |
0,21 |
41,87 |
El flujo de agua que se mueve por el canal
principal de tierra con longitud de 30 m, experimenta una pérdida de 0,62 L s-1
m-1 (tabla 7). Esta pérdida está relacionada con diversos
factores, entre los que se destacan la presencia de hierbas en toda la sección
del canal las cuales crecen en la época de lluvias y durante el período de
riegos debido a la humedad del suelo, influyendo en la pérdida por
evapotranspiración e incremento de la rugosidad.
En la figura 2 se
observa que las láminas de riego que se aportó al cultivo proveniente de las
precipitaciones fueron inferior a la lámina neta requerida en todos los meses
del ciclo vegetativo, excepto en la cuarta semana del mes de febrero y abril
que se produjo una lluvia abundante.
Tabla 7.
Pérdidas de agua por unidad de longitud en el canal de conducción.
Observaciones |
QB (L s-1) |
Qcanal (L s-1) |
Pagua (L s-1 m-1) |
1 |
60,89 |
42,39 |
0,62 |
2 |
59,29 |
41,18 |
0,60 |
3 |
61,80 |
41,58 |
0,67 |
4 |
61,40 |
42,25 |
0,64 |
5 |
58,99 |
41,94 |
0,57 |
Media |
60,47 |
41,87 |
0,62 |
Figura
2. Lámina de lluvia semanal en el ciclo vegetativo del
cultivo.
En la tabla 8 se muestra la cantidad de riego
que recibieron los cultivos durante su ciclo fenológico. Se observa que en
total se aplicaron 29 riegos de los cuales 15 correspondieron al tomate y 14 al
frijol. En relación con la duración del tiempo de riego se obtuvo como promedio
4 horas para regar el área evaluada en cada cultivo.
En la tabla 9 se expone el volumen de agua
aplicado para satisfacer la demanda hídrica de los cultivos según las
propiedades del suelo y el contenido de humedad [15,16]. En ambos casos el
volumen aplicado fue similar; sin embargo, el cultivo de frijol recibió una
cantidad ligeramente inferior, que representó 0,96 unidades respecto al cultivo
del tomate.
Tabla 8.
Número de riegos por cultivo.
Cultivo
|
Nov |
Dic |
Ene |
Feb |
Mar |
Abr |
Total |
Tomate |
4 |
4 |
4 |
3 |
|
|
15 |
Frijol |
|
|
4 |
3 |
4 |
3 |
14 |
Total |
4 |
4 |
8 |
6 |
4 |
3 |
29 |
Tabla
9. Volumen de agua aplicado (m3)
Cultivo
|
Nov |
Dic |
Ene |
Feb |
Mar |
Abr |
Total |
Tomate |
2581,8
|
2940,6
|
3073,2
|
1562,6
|
|
|
10158,2
|
Frijol |
|
|
3073,2
|
1562,6
|
2987,4
|
1890,2
|
9513,4
|
Total |
2581,8
|
2940,6
|
6146,4
|
3125,2
|
2987,4
|
1890,2
|
19671,6
|
En la figura 3 se pudo
comprobar que el consumo mensual de energía eléctrica con fines de riego en los
cultivos de tomate y frijol es ascendente en correspondencia con las etapas
fenológicas de estos cultivos; donde los valores más bajos se presentaron en
los meses de siembra y cosecha; sin embargo, los consumos más elevados ocurren
en los meses de enero y marzo debido a que en el primer caso coinciden las
etapas de maduración y crecimiento del tomate y el frijol respectivamente y en
el segundo caso, por corresponderse la maduración del frijol. En el período
evaluado el consumo de energía eléctrica osciló entre 506,7 a 3571,4 kWh-1.
Figura
3. Consumo de energía eléctrica en
kWh.
Los rendimientos
alcanzados por el tomate y el frijol fueron de 13,3 t ha-1 y 1,10 t
ha-1 (tabla 10), los cuales fueron inferiores al potencial
agroproductivo de estos cultivos y respondieron a las condiciones climáticas y
fitotecnias en que se desarrollaron. La producción total (P) fue de 37,8 t ha-1, de las cuales 34,5t ha-1 correspondieron
al tomate y 1,1 t ha-1 al frijol.
Si se relaciona este rendimiento con los costos
totales (CT) incurridos
(figura 4) se comprueba que estos fueron de 9555,6 y 17000,0 pesos para el
tomate y el frijol respectivamente; siendo el costo total para ambos cultivos
de 26555,6 pesos. Esto indica que, en el caso del frijol, a pesar de lograr un
rendimiento notablemente menor, los costos totales fueron más elevados en un
40% respecto al tomate.
En la propia tabla 10 se observa que se
obtuvieron beneficios netos (Bn)
de 85875,24 pesos y 59294,26 pesos para el tomate y el frijol respectivamente.
Este resultado está directamente relacionado con el rendimiento obtenido; pero
recibe la influencia directa del precio de venta; es por esto que en el frijol
a pesar de proporcionar un rendimiento bajo los beneficios netos fueron
satisfactorios. El costo por peso de producción (Cpp) fue de 0,11 y 0,29 en el caso del tomate y el
frijol respectivamente, lo que demuestra que para producir un peso en el
cultivo del frijol se debe algo más del doble en relación con el cultivo del
tomate; no obstante, se justifica plenamente la producción de tomate y frijol
bajo las condiciones de producción evaluadas; puesto que la relación beneficio
costo (B/C) fue superior a la unidad
en ambos cultivos.
Tabla 10.
Indicadores económicos seleccionados.
Cultivo |
R (t
ha-1) |
CT ($) |
Bb ($) |
Bn ($) |
Cpp |
B/C |
Tomate |
13,3 |
9555,6 |
85875,24 |
76319,64 |
0,11 |
7,99 |
Frijol |
1,1 |
17000,0 |
59294,26 |
42294,26 |
0,29 |
2,49 |
Total |
14,4 |
26555,6 |
145169,49 |
118613,89 |
--- |
--- |
En la figura 4 se
muestra que el Indicador consumo de energía eléctrica por unidad de volumen
obtuvo un valor total de 0,56 kW m-3. El cultivo del tomate se
comportó más favorable con 0,56 kW m-3; mientras que en el cultivo
del frijol fue de 0,60 kW m-3.
En la propia figura 4 se muestra que el
Indicador consumo de energía eléctrica por unidad de producción obtuvo un valor
total de 290 kW t-1. El cultivo del tomate manifestó un
comportamiento más favorable al registrarse un valor más bajo de 153 kW t-1;
mientras que en el cultivo del frijol fue el más consumidor de energía electica
al determinarse un valor de 1694 kW t-1. Este resultado revela que para producir una
tonelada de productos el cultivo del frijol consume más energía eléctrica
respecto al cultivo de tomate.
Tabla
11. Indicador consumo de energía eléctrica por
unidad de costo (EC).
Cultivo |
EC (W $-1) |
Tomate |
70,0 |
Frijol |
130,0 |
Total |
90,0 |
En la tabla 11 se
muestra que el indicador energía
consumida por unidad de costo (EC)
alcanzó un valor total de 90 W $-1; donde el cultivo del tomate
manifestó el comportamiento más favorable al registrarse un valor de 70 W $-1;
mientras que el cultivo del frijol fue el más consumidor de energía con un
valor de 130 W $-1. Esto indica que desde el punto de vista
financiero el cultivo del frijol requiere mayor cantidad de energía eléctrica
por cada peso invertido para obtener el resultado productivo esperado.
Figura
4. Indicador consumo de energía eléctrica por unidad de
volumen y de producción.
Conclusiones
La investigación
demostró que el caudal promedio aportado por la bomba medido con dos métodos
diferentes: el volumétrico y el de flotadores alcanzan valores de 60 L s-1.
El caudal promedio en
el canal principal de riego es de 41,87 L s-1; por lo que las pérdidas
unitarias de agua por unidad de longitud son de 0,62 L s-1 m-1.
Los indicadores
energéticos del riego: consumo de energía eléctrica por unidad de volumen (EV); consumo de energía
eléctrica por unidad de producción (EP);
consumo de energía eléctrica por unidad de costo (EC) alcanzaron valores globales de 0,56 kW m-3;
290 kW t-1; y 90 W $-1, correspondiendo los mejores
resultados al cultivo del tomate en todos los casos.
Los resultados
alcanzados proporcionaron la información necesaria para la evaluación del
comportamiento del sistema en cuanto al consumo de agua, energía eléctrica y
producción obtenida por el cultivo; lo que permite tomar las medidas
correctivas necesarias para su mejoramiento.
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Recibido: 10/07/2018.
Aprobado:
27/05/2019.